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Juan-Manuel GARCIA - Soutenance de thèse MINES ParisTech

Juan-Manuel GARCIA

Caractérisation mécanique d'alliages de titane soudés par friction linéaire

Titre anglais : Mechanical characterization of Linear Friction Welded Titanium alloys
Date de soutenance : 21/11/19
Directeur de thèse : Thilo MORGENEYER

Mots clés en français : soudage par friction linéaire,traction,fatigue,corrélation d'images,
Mots clés en anglais : Linear friction welding,tensile test,fatigue,digital image correlation,

Résumé de la thèse en français
Le comportement mécanique en traction, la résistance en fatigue et la ténacité de joints soudés par friction linéaire (LFW) en titane (Ti) ont été étudiés et comparés aux matériaux de base (MB). Les alliages de titane sont largement utilisés dans l'industrie aéronautique dans laquelle on cherche à réduire les étapes d'usinage, par exemple en utilisant de nouvelles techniques d'assemblage. LFW est un procédé de soudage à l'état solide dans lequel un composant fixe est mis en contact contre un autre composant décrivant un mouvement alternatif. Après une courte période de friction, une pression de forgeage est appliquée pour obtenir un raccourcissement axial. Ce procédé est très rapide, présente peu de défauts et est censé extruder les contaminants hors de la soudure. Les joints soudés Ti LFW pourraient être exposés à des fortes sollicitations mécaniques ce qui a été peu étudié. Le comportement mécanique des joints soudés a été étudié ici en lien avec la microstructure et les défauts potentiels sous-jacents. Des mesures de champs ont révélé la déformation locale et temporelle des zones de la soudure. Par ailleurs, des mesures de champs 3D ont aussi été utilisées pour établir une nouvelle procédure d'alignement de machines de fatigue. Le joint mono-matériau Ti6242 a montré une résistance supérieure au matériau de base. La déformation locale et la vitesse de déformation normalisée ont été abordées par stéréo-corrélation d'images et elles ont souligné une activité plastique précoce dans le voisinage du noyau de la soudure qui a été attribuée aux contraintes résiduelles. Pour la durée de vie visée de 10e5 cycles, la résistance en fatigue a légèrement été réduite mais elle a également été compromise par une forte dispersion due à un amorçage interne de fissure de fatigue en « œil de poisson », observé autour d'un défaut dendritique inattendu. Ce défaut a été associé à une fusion localisée lors du soudage, dû à la présence de laiton émanant de l'usinage par électroérosion. Des entailles ont été usinées pour des mini-éprouvettes axisymétriques et plates, centrées sur le noyau pour approfondir sa caractérisation. Des observations tomographiques ont dévoilé un mécanisme ductile pour le MB et une rupture abrupte pour le noyau. La rupture a eu lieu en partie au niveau du noyau après une déformation plastique. Aucun effet de contamination avant soudage n'a été observé. Pour approfondir l'étude de la contamination avant soudage, deux joints bi-matériaux Ti17-TA6V ont été produits. Le premier a été soudé après avoir été coupé par électroérosion et le deuxième a été poli avant soudage. Pour la configuration étudiée ici, le mécanisme autonettoyant du LFW n'a pas réussi à extruder les contaminants présents dans l'interface et a induit une rupture pseudo-fragile au niveau du noyau pendant les essais de traction, fatigue et ténacité. Le joint nettoyé avant soudage a montré une rupture ductile tantôt au niveau du MB TA6V tantôt au niveau de la zone thermomécaniquement affectée (TMAZ) côté Ti17. L'amorçage des fissures de fatigue a eu lieu avec une résistance réduite par rapport au MB. La ténacité a également été dégradée et le faciès de rupture au niveau de la TMAZ a dévoilé des clusters de cavités allongées et parallèles. Pour améliorer les propriétés de la TMAZ Ti17, un traitement thermique post soudage a été appliqué à un joint LFW mono-matériau Ti17. Le joint non-traité a montré une résistance mécanique inférieure au MB liée à la dissolution de la phase alpha dans le voisinage du noyau. En effet, la TMAZ Ti17 a été identifiée comme une zone faible puisque la rupture y a eu lieu en révélant une réduction importante de la ductilité macroscopique comparé au MB. De la même manière, l'amorçage de fissure par fatigue a eu lieu au niveau de la zone faible avec une réduction conséquente de la résistance à la fatigue. Le traitement post soudage a permis de retrouver avec succès des propriétés proches de celles du MB.

Résumé de la thèse en anglais
The mechanical properties in terms of tensile behaviour, fatigue strength and toughness of linear friction welded (LFW) joints were studied and compared to the parent materials' (PM) behaviour. Titanium (Ti) alloys are widely used in the aerospace industry in which there is a need to improve the buy-to-fly ratio, e.g. by the use of novel joining techniques. LFW is a solid state joining process that works as follows: A fixed workpiece is pushed against another following a linear oscillatory motion. After a short friction stage, a forging pressure is applied to achieve a target axial shortening. This process is quick, presents few defects and is supposed to be self-cleaning. Ti LFW joints could be exposed to heavy mechanical loads. Yet, few results are available. The mechanical behaviour of the LFW was assessed in light of the underlying microstructure, in particular potential defects. Field measurements revealed the local and temporal deformation behaviour of the different weld zones. 3D field measurements were also used to establish a new procedure to align fatigue testing machines. For the similar Ti6242 LFW joint, the weld showed a strength overmatch. This led to a reduced macroscopic ductility and fracture occurred in the PM. Local strain and normalized strain rate were assessed by stereo digital image correlation (DIC) and revealed an early plastic activity at yielding in the vicinity of the WCZ, attributed to residual stresses. For the target life of 10e5 cycles, the fatigue strength was slightly reduced but compromised by strong scatter. Indeed, an internal fish-eye fatigue crack initiation was found on an unexpected dendritic defect that was different from the martensitic microstructure in the WCZ. The dendritic defect was linked to localized melting due to the presence of prior to welding brass contaminants at the weld interface, resulting from electrical discharge machining (EDM). To investigate further the behaviour of the WCZ, notches of axisymmetric and flat micro-tensile specimens were placed in this zone. In situ synchrotron tomography showed ductile damage mechanisms for the PM and very sudden failure for the WCZ without prior damage development at the micrometre scale. Failure occurred partly along the weld interface after some plastic deformation of the weld. No effect of weld contamination prior to welding was observed. To study further the effect of surface contamination prior to welding, two dissimilar Ti17-Ti64 LFW joints were assessed. The first was welded in the EDM as machined state and the second joint was ground prior to welding. For the studied configurations, the LFW self-cleaning mechanism failed to extrude the EDM brass contaminants into the flash and led to a pseudo-brittle fracture at the WCZ during monotonic and cyclic loading and fracture toughness testing. During tensile testing of the pre-cleaned joint, failure occurred after some plastic deformation sometimes at the Ti64 PM and sometimes at the Ti17 thermo-mechanically affected zone (TMAZ). Fatigue cracks initiated at Ti17 TMAZ with a reduced fatigue strength compared to the PM. Fracture toughness was also significantly reduced and the fracture surface at the TMAZ highlighted unexpected clusters of parallel and elongated voids. To enhance the properties of the TMAZ a post weld heat treatment was applied to a similar Ti17 LFW joint. The as welded joint showed a strength undermatch due to a depletion of the alpha phase in the vicinity of the WCZ. Indeed, the Ti17 TMAZ was identified as a weak zone since failure occurred at this location during tensile testing highlighting a significant reduction in macroscopic ductility compared to the PM. Similarly, for a target fatigue life of 10e5 cycles, fatigue crack initiation occurred at the weak zone with a significant reduction in fatigue strength. The post-weld heat treatment allowed the PM microstructure and tensile and fatigue properties to be regained.

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